高壓輸電線路在線監控裝置無線取能系統設計

曹雷，宋立風，楊帆，鄒迪，魯松

（國家電網常德供電公司，湖南 常德 415000）

隨著智能電網的快速發展，對于供電安全與可靠性的要求越來越高。通過智能化的監控設備等對高壓輸電線路的運行狀態實時的監控，如線路覆冰、斷線、懸垂幅度過大等故障及時進行報警，可以有效提升輸電線路運行的可靠性，從而提高整個電力系統運行的穩定性和可靠性。

當前輸電線路監控設備供電的方式包括干電池、光伏電池或者風光互補聯合供電、電容器分壓取能、激光無線傳能等多種不同的形式。

采用干電池直接供電的監控設備，需要定期對設備更換處理，產生非常高的人力成本。采用光伏電池及風光互補供電等供能方式，光照等天氣條件及配套的蓄電池老化等，會影響監控設備供電的可靠性。電場感應取能成本高昂且維護困難，激光無線傳能傳輸不穩定，可靠性低。

隨著當前無線電能傳輸技術的發展與進步，利用輸電線路的線路電流為能量發射源，采用帶磁芯的取能線圈通過對線路電流進行取能，通過對鐵芯的優化設計解決裝置在一次故障大電流條件下的磁路飽和問題，使得系統在一次電流大幅變動的情況下，二次系統獲得穩定的電壓輸出，為輸電線路的監控裝置提供穩定可靠的電源供應。

1 取能裝置結構與工作原理

感應耦合原理取能的線圈結構與工作原理如圖1所示，輸電電流從電線流過時，在周邊產生交變磁場，電能拾取線圈通過感應耦合方式獲得感應電動勢，整個裝置構成一個原邊線圈為1匝的變壓器。在高壓輸電線路正常工作時，可將其等效成恒定電流源形式，即在相對穩定的時間范圍內，其線路電流保持恒定。

圖1 高壓輸電線路感應耦合取能原理

I1為輸電線路的電流，RL為電路等效負載。根據電磁學理論，取電裝置二次側繞組感應電壓幅值E2為：

式中，f是工頻電流頻率，磁感應強度與CT磁芯的橫截面積、磁芯的疊片系數等相關。

根據電磁感應定律及安培環流定律，可以得到二次側輸出電壓幅值E2為：

空載時，取電裝置的輸出電壓幅值與副邊線圈匝數、磁芯尺寸和磁導率、輸電線電流的大小有關。帶負載工作時，取電裝置將輸電線上的大電流轉換為小電流，將二次側繞組的電阻和漏感以及等效負載等參數歸算到一次側后，得到取電裝置的等效計算電路圖。圖中R1、L1為輸電線的電阻和漏感；Rm、Lm表示磁芯的磁滯損耗引起的電阻和勵磁電感；R2′、L2′、E2′、I2′、XL′、U2′分別二次側繞組的電阻R2、漏感L2、感應電壓E2、電流I2、等效負載X?L和其兩端電壓降U2折算到一次側的值。

如圖2所示，負載兩端電壓降U2′為

圖2 取電裝置的等效計算電路圖

因此，取電裝置二次側感應電壓為：

2 AC-DC電能變換裝置及工作原理

在感應取能電路的基礎上，采用鋰電池進行蓄能，設計穩定輸出13.7V電壓的供電裝置，其結構框圖如圖3所示。CT取電系統包括取電CT、半有源整流電路、穩壓模塊及鋰電池充放電模塊，利用兩個繼電器位置控制取電裝置各種供電狀態的切換，實現各種工況下電源的供電。交流電壓輸入后，主控單元通過對輸入進行相位和電壓檢測，通過控制PWM占空比控制輸出電壓，使其穩定在13.7V。

圖3 取能系統結構示意圖

針對高壓輸電線路截流過大時引起系統的取能鐵芯飽和等系列問題，本部分設計后級電能處理電路，如圖4所示。輸電線路上電流的波動將會導致取電CT輸出的能量也是不穩定的。電流較大時，可以滿足負載的需求。但是，小電流甚至電流降為0時，利用鋰電池額外供電。因此設置取電裝置的2種工作模式。

圖4 取電裝置工作過程示意圖

第一種：輸電線路電流較大時，取電裝置獲取的能量可以為線路監測設備供電以及對鋰電池充電，儲存能量。

圖5 工作模式1

第二種：輸電線路電流降低時，取電裝置獲取的能量較小，鋰電池與取電裝置共同為線路監測設備的供電，從而保證供電的穩定性。

圖6 工作模式2

本文利用設計反激拓撲直流變換電路，輸出穩定的13.7V電壓，可以有效地保證工作效率，并且實現輸出與輸入電路之間絕緣隔離，保證安全。如圖7所示為反激變換器的工作原理圖，其中Vin、Vout為直流變換器的輸入、輸出電壓；T1為變壓器，一次和二次繞組極性相反；K為開關管。

圖7 直流穩壓控制電路圖

3 系統控制流程設計

根據上述的控制過程，提出了無線取能系統的控制流程，如圖8所示。

圖8 系統控制流程圖

4 實驗測試數據

研制無線取能裝置樣機，如圖9所示。將直流電源斷開，使Req=43Ω，改變模型中的電流源幅值I1模擬輸電線電流變化，驗證空芯線圈取電系統在不同輸電線電流下的輸出功率。

圖9 系統測試圖

5 結語

本文針對高壓輸電線路監控設備的電源供應問題，提出了一種利用感應耦合原理的取電設施與控制電路。利用優化設計的鐵芯結構，克服一次大電流情況下的鐵芯飽和效應，采用雙取能線圈結構與輸出電壓穩定電路，在取能線圈處獲得穩定輸出的直流電壓，理論分析與系統仿真實驗等證明了取能電源系統的穩定可靠運行。本文設計的裝置利用輸電線路的輸電電流為一次電源，設備簡單，運行成本節省，免維護或少維護。缺陷在于當輸電線路故障等原因造成供電中斷時，裝置的附帶電池等只能提供短時長的持續供電，取電裝置將不能獲得電源供應。

表1 裝置測試結果